Andrómeda: una femtosonda para estudiar Alfa Centauri

El descubrimiento de Proxima b, el planeta extrasolar más cercano a la Tierra, ahora hace justo un año volvió a resucitar el interés por los viajes interestelares. El problema es que en las películas de ciencia ficción suelen representar los periplos a otras estrellas de forma un pelín optimista, por decirlo suavemente. Porque viajar a otras estrellas está fuera del alcance de nuestra tecnología, así de simple. Pero, siempre hay un pero, viajar al sistema de Alfa Centauri —del que forma parte Proxima Centauri— está justo en el límite de lo que podríamos lograr con la tecnología de dentro de un par de décadas. Eso sí, nada de enviar grandes cruceros espaciales con cientos de personas, sino pequeñas sondas espaciales no tripuladas. ¿Cómo de pequeñas? Pues del tamaño de un sello de correos. Ese es el nivel tecnológico del que estamos hablando.

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La sonda Andrómeda (sin la vela láser) (I4IS/Adrian Mann).

La única técnica que podría, quizás, lograr hacer realidad este sueño con un poco de suerte —léase dinero— es la vela propulsada por luz (láser o máser). Y eso es justo lo que pretende la iniciativa Breakthrough Starshot: mandar un grupo de nanovelas láser a Alfa Centauri y que sean capaces de efectuar el viaje en veinte años. Con el anuncio del descubrimiento de Proxima b Breakthrough Starshot decidió cambiar de objetivo al planeta de esta estrella, lógicamente, pero aún así no está nada claro cómo conseguirlo. El minúsculo núcleo de las naves de Breakthrough Starshot se ha denominado StarChip y, como su nombre indica, se trata de un pequeño chip de unos pocos gramos que debe contener todos los sistemas asociados a una nave espacial (salvo la propulsión, que de eso se encarga el láser situado en la Tierra).

No cabe duda de que la iniciativa StarChip es muy ambiciosa, así que son especialmente interesantes aquellas propuestas intermedias que intentan rellenar el hueco existente entre la tecnología actual y la necesaria para hacer realidad un proyecto como StarChip. Una de esas propuestas es el Andrómeda, obra de I4IS (Initiative for Interstellar Studies), una asociación amateur que tiene como noble fin llevar a la humanidad hasta las estrellas. Andrómeda es una pequeña vela láser parecida a la propuesta por Breakthrough Starshot, pero con un diseño más detallado.

Estamos hablando de una femtosonda de 280 gramos de masa (el prefijo femto se refiere aquí a satélites con masas del orden de gramos). La sonda propiamente dicha, sin la vela, tiene unas dimensiones de 1 x 1 metro aproximadamente, aunque realmente todos los sistemas estarían en una placa impresa de 30 centímetros de lado. El resto de la superficie lo ocuparía la antena de radio, hecha de grafeno, y que emitiría con una potencia del orden de un vatio. La velocidad máxima de la sonda sería menor a la del proyecto Breakthrough Starshot, y ‘solo’ alcanzaría el 10% de la velocidad de la luz. Esto significa que tardaría 43 años en llegar hasta el sistema de Alfa Centauri, situado a unos 4,3 años luz. Y, al igual que otros proyectos, la sonda pasaría zumbando por su objetivo y tendría que realizar todas las observaciones pertinentes en cuestión de días.

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Diseño de la sonda Andrómeda (sin la vela láser) (I4IS/Adrian Mann).
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Partes de la sonda (I4IS/Adrian Mann).

Andrómeda incluye una cámara con un pequeño objetivo desplegable de veinte gramos que sería la encargada de fotografiar el sistema de Alfa Centauri. También funcionaría como sensor estelar para poder guiar el vehículo durante el viaje . La alimentación eléctrica, de cuarenta gramos, corre a cargo de una batería nuclear, pero no se trata de un generador de radioisótopos (RTG) normal, sino que usa células termofotovoltaicas para convertir en electricidad el calor generado por la desintegración de un isótopo radiactivo. Es una solución más eficiente que los tradicionales termopares de los RTG, aunque más compleja de implementar. El material radiactivo podría ser americio-241, que tiene una vida media superior a la del plutonio-238 empleado en los RTGs de sondas espaciales (432 años frente a 88 años). Esta batería alimentaría unos condensadores de grafeno muy eficientes que enviarían la electricidad a cada subsistema por turnos. El calor generado por la batería nuclear también serviría para mantener la sonda con una temperatura apropiada gracias a una red de circuitos de cobre que lo distribuirían por la sonda.

El control de posición correría a cargo de MEMS (Micro-Electro-Mechanical System) magnéticos y de propulsores de tipo FEEP (Field-Emission Electric Propulsion), una especie de motores iónicos pequeñísimos a base de indio (el elemento). Además incluiría veinte gramos de polietileno para proteger los sistemas electrónicos de la radiación y un sistema de gestión de datos —el ‘ordenador’ de abordo— de treinta gramos. La vela solar de grafeno, con una forma ligeramente cónica, estaría acoplada a la sonda mediante cables también de grafeno y tendría un diámetro de casi 370 metros, pero su masa apenas rozaría los 80 gramos. La fase de aceleración duraría 16 días y durante la misma Andrómeda estaría sometida a unos 2,25 g. El láser propulsor tendría una potencia de 1,12 gigavatios y emitiría luz verde (unos 500 nanómetros).

Pese a lo sofisticada que pueda parecer y del hecho de que habría que desarrollar muchas de las tecnologías usadas por la sonda, este diseño no es lo suficientemente pequeño. Por eso se contempla como un concepto previo para adquirir la experiencia necesaria antes de desarrollar una sonda interestelar más compacta cuya masa no supere los 23 gramos. Esta mini-Andrómeda usaría una vela de grafeno ultrafina de solo 8 gramos y 34 metros de diámetro que sería propulsada por un láser de 15 gigavatios situado en el espacio. Miniaturizar toda una nave espacial en un vehículo de solo 23 gramos es una misión imposible, pero ofrece la ventaja de que dispondríamos de una vela láser mucho más realista desde el punto de vista técnico.

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Una flota de nanovelas láser rumbo a Alfa Centauri (I4IS/Adrian Mann).

Más a corto plazo I4IS quiere desarrollar un cubesat que permita verificar algunas de las tecnologías asociadas con este grandioso proyecto a una escala mucho más modesta. Este cubesat desplegaría una pequeña vela que sería propulsada en órbita baja terrestre usando un láser de uno o dos vatios.

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Cubesat para poner a prueba las tecnologías asociadas con una vela láser (I4IS).

Por el momento Andrómeda es simple fantasía, pero presenta un nivel de detalle en el diseño que llama la atención, aunque se trate de un simple experimento mental. Una sonda interestelar de 280 gramos, a pesar de que sigue fuera del alcance de nuestra tecnología actual, ya no resulta imposible de concebir. Y eso a pesar de que hasta hace solo un par de décadas hubiera sido ciencia ficción. Quizás si esperamos otros veinte años podremos comenzar a soñar con sondas estelares de apenas veinte gramos.

Referencias:

  • https://arxiv.org/abs/1708.03556
  • https://i4is.org/


43 Comentarios

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ZanstelZanstel

La óptica tiene pinta de ser “pesada”.
He leído sobre lentes planas digitales. En lugar de enfocar la luz, símplemente crea una matriz de paso en función de la posición de entrada de la luz antes de excitar la capa de captura, así que se comporta como una lente aunque no sea estríctamente una (no enfoca la luz, pero permite capturar la luz procedente de un punto, que viene a ser el equivalente digital de un enfoque).
Eso convierte a la “lente” en una simple superficie de captura plano, como un papel, que “enfoca” mediente un sistema digital.
Debería permitir reducir bastante el peso en esa parte.

CarlosCarlos

Me pregunto cómo se puede controlar la actitud en una cosa tan pequeña… ¿Volantes de inercia diminutos? ¿Cómo evitar la saturación tras un viaje de tantos decenios?

ZanstelZanstel

Teniendo en cuenta que el laser le apunta, supongo que como una vela solar, cambiando la absorción o reflexión (o sea, el color, transparencia o reflexión de la vela) en unas partes frente a otras de forma que pueda girar.

ZanstelZanstel

También puede que desviando el calor de la fuente radioactiva. La emisión térmica por fotones de infrarrojos también crean empuje. Creando un diferencial térmico asimétrico también se puede lograr que la vela gire.

RuneRune

Lo que mata a estas propuestas de microsondas es el calor. ¿Me pueden explicar estos señores cómo sobreviven estas mierdecillas de unos pocos gramos a la fase inicial de aceleración? Porque sueltan tan tranquilos cifras como 1,12 Gigawatios, para disipar en 80 gramos de vela. Que por poco que absorba, me da que lo que sale del sistema solar es una nube de plasma en expansión, no una sonda.

Por otra parte, si que disponemos de tecnología para viajar a más o menos el 10% de c, y con cargas de pago decentes, desde hace décadas: armas nucleares colimadas, estilo proyecto Orión. Hay que desarrollarlo, por supuesto, pero al menos es físicamente plausible. Este tipo de velas que aceleran a más de una G, por el contrario, son ciencia ficción, y de la mala.

ZanstelZanstel

Es la potencia máxima, teniendo en cuenta que cuando esté muy lejos, le llegará una parte muy pequeña de la potencia de emisión
No significa, claro, que reciba la potencia del laser en su superficie.

De todas formas recibirá un montón de fotones. A eso ayudará la gran reflexión de su material. Para no absorver gran parte y que no se caliente. Pero no existe la reflexión perfecta, así que tendrá un claro límite.

RuneRune

Si estás muy lejos y la vela recibe poca luz, entonces la aceleración es poca, no dos G’s y pico.

Por razones de física básica, con propulsión fotónica (luz o láser, ya sea generada a bordo o reflectada), necesitas emitir 300 megavatios por cada Newton de empuje. Emitir, no recibir. Y ese es un límite máximo teórico, asumiendo un haz perfectamente colimado en el que todos los fotones viajan paralelos.

Si tu vela refleja el 99% de la radiación incidente, eso significa sobre los 3 megavatios absorbidos por cada… (1/(9.81*2)=0.05Kg) …cincuenta gramos de masa acelerada a 2G. Lo que viene a ser 60kW/g. ¿99,99, y nos vamos a espejos de ciencia ficción? Entonces son ‘solo’ 600W por gramo. Que es, para usar medidas de andar por casa, la potencia que usa tu microondas para cocinar el kilo de pollo que le pones dentro… ignorando todas la eficiencias, claro. Realmente se necesita menos, teóricamente, para cocinar tu pollo. O la sonda.

amagoamago

hace años ya que algunos papers trataban el tema de la disipación térmica. básicamente se disipa por radiación y calculan la temperatura de equilibrio para una potencia determinada. si dan esa aceleración es que creen que el grafeno de la vela aguanta la temperatura. (muy discutible probablemente). otra cosa es como evitas que se frian el resto de componentes que a lo mejor es de lo que hablabas tu.

RuneRune

Ambas matarían a la sonda, si. Quiero decir, cuando llegas a la conclusión de que la vela se va a vaporizar más temprano que tarde, dejas de plantearte si la electrónica va a sobrevivir, o cómo protegerla.

Básicamente me meto con la premisa fantástica de aceleraciones iguales o superiores a una G. Que si, que seguro que hay papers serios sobre velas solares y/o láser que presuponen materiales reales (o cuasi-reales), y calculan la temperatura de equilibrio en funcionamiento y tal. Pero a no ser que me des una buena cita, voy a seguir pensando que esos papers son los de las propuestas en las que la aceleración final es dos o tres órdenes de magnitud menor. Y que en general son papers optimistas, o papers que ignoran la dificultad de enfocar láseres a grandes distancias (que es otro tema que también tiene para sacar bastante punta).

VipondiuVipondiu

Eso mismo estaba pensando yo, aunque el material de la vela aguante, la femtosonda no lleva “protección” de ningún tipo. Es un powerpointazo que en mi opinión va directamente a la basura (eso si, el cubo de la basura es de grafeno XD).
Los femtosatélites son buenos demostradores tecnológicos para experimentos en órbita o a lo sumo para alcanzar de forma rápida y “barata” algún planeta, aunque el retorno científico es cuestionable…Curiosity pesa 1 tonelada por algo; una sonda que lleve una cámara y poco más nos dará bonitas fotos pero no responderá muchas preguntas…
Yo también creo que más allá de un motor de fusión o antimateria, o un sistema de vela láser gigante de varios TW de potencia, nuestra mejor opción para la primera sonda interestelar usará algo similar a la Orion de los 60….. muy probablemente su versión a tracción, Proyecto Medusa de los 90 que es más eficiente en términos de masa.
Y desde luego iremos con una sonda/nave decente y con una vela del tamaño de un país, no con sondas del tamaño de un móvil.

Saludos

RuneRune

Antonio me ha inspirado a leerme el paper, y la verdad es que no tiene desperdicio. Pero sí, estamos al 110% de acuerdo. :)

RuneRune

Pues me vas a tener que citar el párrafo en el que hablan de cómo solventan los problemas térmicos, porque yo no lo encuentro.

Quiero decir, en el paper de dentro del artículo, hay un parrafillo al principio con datos sacados de otros papers, y amplias menciones de palabras molonas como “grafeno” y “materiales dieléctricos”, pero nada de la carga térmica que esperan que sea aguantable, o de algún dato que tengan de primera mano. Nótese que aparte, es uno de los dos capítulos que no están en negrita y letra más grande, así que es fácil que se te pase por alto. Y tampoco importa mucho, la verdad, porque si te fijas un poco más, en los datos que sacan de otros papers al grafeno le dan un índice de reflectividad de 0.05, y ellos usan 0.82 en su flamante modelo de, ojo al dato, Fortran 95. Y se nota que en eso no mienten, porque no se han molestado en quitar el encabezado de la tabla en ASCII.

Ah, y por supuesto, lo que es en el artículo de Dani, no, no está. 😛

AntonioAntonio

Hay una tabla con la “temperatura de trabajo”, que supongo que es la temperatura que han calculado que se alcanzaría con una vela de ese material. Sí, casi todo está en referencias externas, pero ya sabes, sci-hub es tu amigo 😛

AntonioAntonio

Concretamente, la tabla 0.6. Ahí también incluyen los W/m2 que tendría que disipar la vela.

AntonioAntonio

“en su flamante modelo de, ojo al dato, Fortran 95″

Gran parte del código de los experimentos del LHC está en Fortran, así que un respeto.

FalconFalcon

Otro problema a resolver es la transmisión de datos. Ya vimos lo difícil que es trasmitir desde Plutón. Cuánta energía tienen destinado para poder emitir una señal de retorno.
Otra cosa es los tiempos de espera para tener resultados: 44 años. Seguro que antes de que llegase es adelantada por una sonda más avanzada
Por desgracia, me temo que no lo veremos. Nuestros hijos si, nosotros dentro de 44 años hemos dejado de pagar impuestos

pochimaxpochimax

El viaje está en el camino.
No debes pensar solo en el objetivo final, sino en que lo que descubra entre medias también merecerá la pena; así que son 44 años de descubrimientos, no sólo la fase final.
Siempre habrá sondas más rápidas, en algún momento hay que decidir lanzar, aún a riesgo de adelantamiento.

AstrofanAstrofan

Para que gastarse ese dinero si ya tienen otra tecnologia, la de los “Triangulos negros” equipados con sistemas FTL , los tienen en el Area 51 y son ya muchos casos de avistamientos sin explicación. X-D

DavidDavid

Supongo que la idea no es enviar una sola, se no miles y que alguna sobreviva al viaje.

Por cierto, se puede detectar desde la tierra una emisión de un vatio desde Alpha centauri?

Si se manda una flotilla de mano sondas se pueden sincronizar entre ellas para aumentar la potencia de emisión?

AbdulAbdul

Conclusión: No bebas si vas a manejar el Powerpoint.

Hoy cualquiera tiene en la mano una computadora con una gran variedad de periféricos (teléfono, GPS, acelerómetros, cámara …), y necesariamente antes de que existan los smartphones debieron existir cada uno de ellos desarrollándose independientemente y con el correr de los años irlos incorporando en una sola unidad.
Es decir, antes de enviar una vela solar fuera del sistema solar se habrán enviado cientas dentro.

Recién después desarrollar lo suficiente estas tecnologías como para que sondas de este estilo viajen ida y vuelta al cinturón de Kuiper se puede pensar Alfa Centauri.
Aunque falta tanto que probablemente para ese entonces existan mejores opciones.

TxemaryTxemary

“a base de indio (el elemento)” …
jajajajajajajajajajajajajajajajajajajajajajajajajajajajajajajajaja

Daniel, eres muy grande…

Fernando GeneraleFernando Generale

Todo muy bonito, pero si al 10% de la velocidad de la luz esa sonda choca con un miserable grano de polvo en vez de sonda vamos a tener una mini supernova 😛

JMAJMA

Yo me conformaría con que esta tecnología alcanzase para enviar una microsonda (digamos hasta un kilogramo) a objetivos MUCHO más cercanos, en el cinturón de Kuiper o la nube de Oort.
Una vez desarrollada la tecnología del láser, y fabricando la microsondas como los cubesats actuales, podríamos explorar multitud de objetos de nuestro sistema solar por la enesima parte del coste actual.

ErickErick

Exactamente, yo no entiendo porque quieren empezar la casa por el tejado…antes de ir a otra estrella, nuestro sistema solar, tiene cientos de objetivos interesantes…no hemos visto Sedna, Quhaor, etc…eso si son objetivos realistas…

También no entiendo, las pocas o nulas noticias de las velas magnéticas, me parecen de las mejores tecnologías que tenemos en la actualidad…

amagoamago

En mi opinión empiezan la casa por el tejado porque no hay ninguna intención de ponerlo en práctica. Es todo un ejercicio teórico, una especie de “brainstorming”. Entonces, al ser teórico, ¿por qué limitarte a lo que serías capaz de hacer?

Federico GonzalezFederico Gonzalez

“podríamos explorar multitud de objetos de nuestro sistema solar por la enesima parte del coste actual“ no te olvides que el retorno científico de una nanosonda será casi nulo, fotos bonitas y poco mas, tampoco puedes ponerte en orbita usando una sonda de estas, es decir que son solo para mandarlas a sobrevuelos unicos

JMAJMA

Un puñado de fotos más o menos detalladas de (por ejemplo) Sedna es infinitamrnte más información de la que tenemos actualmente, y de la que tendremos en décadas (me temo)

EmilianoEmiliano

1 vatio para transmitir desde 4,3 años luz? Y como piensan recibir algo más que radiación de fondo o de la misma centauro?

E=m.c2 y bonita bomba voladora si te cruzas con polvo estelar

A 10% de c sería un interesante colisionador espacial entre el americio y los átomos de H o particulas del sistema solar

A esa velocidad la nave reduciría su tamaño en un 2%¿ Y aumentaría su masa en un 15¿ Funcionarían igual los sistemas? Se mantendría contenido el indio y el americio ante estos cambios relativistas?

яя

desde el punto de vista de la sonda no sufriría ningun cambio de tamaño y de masa y el indio estaría en su sitio

amagoamago

Para que un colisionador sea interesante los protones tienen que acelerarse muy rápido, a más de 0.99999 c. Una colisión con un protón a 0.1 c no tiene nada de interesante (ni de peligroso).

Me imagino que nadie sabe qué densidad de partículas hay en el medio interestelar, pero no creo que sean muy comunes. No me sorprendería que lo más probable sea que la nave no se encuentre con ninguna partícula en el espacio interestelar. Además, si chocase con la vela no supondría ningún problema, solo haría un pequeño agujero, y la sonda tiene muy poca superficie.

No has entendido el principio de relatividad. La nave, después de la fase de aceleración, es un sistema inercial y por tanto las leyes de la física son idénticas que en cualquier otro sistema inercial (órbita baja de la Tierra por ejemplo). Para un observador en el sistema de referencia de la sonda la masa de esta no ha cambiado.

En cuanto a lo de las comunicaciones con 1W… ahí sí, parece bastante discutible.

Gustavo HigónGustavo Higón

Cuando he leído sobre estos sistemas siempre he pensado un par de cosas que me sorprende que nadie haya propuesto… quizá me estoy saltando algo obvio.

La primera es modular la reflectividad de la vela para enviar los datos de vuelta… obviamente cambiar el albedo del material de la vela sería muy difícil, pero deformarma o rotarla muy ligeramente permitiría enviar los datos a la tierra usando la misma luz del láser que la impulsa.

La segunda aún es más nazi… sería usar la misma vela para frenar y poder aparcar la sonda en el sistema. Supongamos una vela grande, que rodea a otra mucho más pequeña que a su vez rodea a la sonda. Durante la primera fase del viaje van juntas, al acercarse al objetivo se separan y la grande adelanta a la pequeña (ya que tiene más superficie y no está lastrada por la sonda en sí) y se deforma, volviéndose parabólica y concentrando la luz en la vela pequeña, frenando a ésta y a la sonda.

CarlosCarlos

Creo que no podríamos usar el láser como señal portadora de información, simplemente porque dicho láser sólo incidiría en la vela durante los primeros días del viaje! Imagino que seguir apuntando el láser con exactitud cuando la sonda esté a años luz no debe ser nada fácil…

amagoamago

“Roundtrip Interstellar Travel Using Laser-Pushed Lightsails” de Robert L. Forward (1984)!!

En ambos casos, para que el láser no se haya dispersado a 4.3 años luz de distancia necesitas una lente gigante. Del orden de 1000 km de diámetro para una vela de un tamaño del mismo orden de magnitud.

Cuando tienes una vela y una lente de ese tamaño, la opción preferida es utilizarlas para un sistema de comunicación óptico.

Son soluciones muy interesantes para hacer que lo que parece un problema irresoluble sea sólo irrealizable 😛

Gustavo HigónGustavo Higón

Bueno… para la parte de comunicación quizá sea suficiente con que la nave reciba un pequeñísimo porcentaje de la potencia del láser. Todo depende del tamaño de la “antena” (telescopio más bien) en la tierra. Y pensándolo un poco mejor, en vez de deformar la vela para modular la señal bastaría con hacerla vibrar… al final estarías transmitiendo a muy pocos bits por segundo… pero eh! Reflejando un láser ubicado a 4 y pico años luz. Si eso no es molar…

Respecto a mi otra fumada (separar la sonda y usar la luz reflejada por la vela para frenarla) sí… aquí la dispersión del láser se carga la viabilidad del invento.

De todas formas… no me imagino una lente de 1000km… pero y un espejo parabólico?

RuneRune

Buena cita (un clásico!), buen comentario, mejor chiste/resumen final. ¡Así da gusto leerse la sección de comentarios!

Jaume LorenteJaume Lorente

Una posible opcion no seria enviar “en serie” 10, 100 o 1000 naves, de manera que cada sonda enviaria la informacion a la siguiente sonda y así succesivamente?
Seguramente de esta forma seria factible la utilización de antenas de 1w.

Lo veis factible?

Zapa

“El láser propulsor tendría una potencia de 1,12 gigavatios…” Joer, por poco más ya puedes enviar la sonda al futuro 😀

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